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重型钢结构厂房结构设计浅析

  青岛钢结构公司在工业建筑中,钢结构以其独特的性能被广泛采用,为满足生产需要,跨度大、高度大以及大吨位行车重型钢结构厂房不断涌现。随着钢结构的发展,重型钢结构厂房在工业建筑中的比重越来越大,主要领域用于冶金、机械、船舶等工业建筑。本文结合浙江宁波地区某生产车间的结构设计,重点介绍重型钢结构厂房结构特点及结构设计中一些注意事项和要点,供类似设计中参考。


  1、重型钢结构厂房结构特点


  重型钢结构厂房结构相对于轻型门式剐架结构具有以下特点:


  1.1结构用钢量大。该类厂房柱距、跨度、高度一般较大。且吊车工作级别、荷载较大,因此导致构件超长、超宽、超重现象,用钢量一般超过60kg/m2。由于该类厂房结构构件重量较重,且上部荷载较大,相应基础费用也较高,同时地震反应也较为敏感。


  1.2轴网布置不规则。受工艺条件限制,厂房柱距一般为9~12m,局部柱距由于抽柱,柱距达到24m甚至更大。


  1.3结构整体刚度要求高。因吊车冲击荷载对结构的影响,在结构的纵向及横向应提高结构整体刚度,以减小整体结构的震动。


  1.4节点构造复杂。节点设计应考虑超大、超宽、超重构件的制造、运输、安装的工艺要求,并满足抗震构造措施及刚性假定的规定。


  2、结构设计


  结构设计按《钢结构设计规范》、《建筑抗震设计规范》和《建筑结构荷载规范》等相关规范设计。


  2.1主要荷载


  厂房结构所受到的荷载主要有竖向荷载:包括结构自重、吊车竖向荷载、屋面活荷载及走道板活荷载;水平荷载:包括风荷载、厂房积灰荷载,吊车水平荷载、地震荷载等。上述荷载中除一般轻型屋面自重按0.50kN/m2输入外,其它结构自重由程序自动计算。风荷载按《建筑结构荷载规范》选用风荷载体形系数后,由程序自动布置。屋面活荷载取0.3kN/m2,屋面积灰荷载在水平投影面,距高炉中心50m内取1.0kN/m2,距高炉中心50~100m时取0.5 kN/m2,走道板活荷载取2.0kN/m2。基本风压0.4 kN/m2。吊车荷载按照厂家提供的数据进行输入。


  2.2主要结构布置


  排架柱为单阶柱,上阶柱采用工字型实腹焊接截面柱。下阶柱除承受上柱荷载外,还需承受吨位较大的吊车荷载,如果采用实腹工字型截面柱.则柱截面会很大,不经济,下柱采用格构式钢管混凝土柱设计方案。充分利用了钢管和混凝土两种材料的力学性能,减少了柱子截面尺寸,且外形美观。肩梁采用单腹壁肩梁。


  2.3屋面斜梁设计


  (1)挠度控制:屋面斜梁挠度限值按《钢结构设计规范》(GB50017-2003)附录A规定,[Vt]   (2)腹板高厚比控制:当屋面梁轴力相对较小时。可按《钢结构设计规范》(GB50017-2003)4.3.1款规定,承受静力荷载和间接承受动力荷载的组合粱宜考虑腹板屈曲后强度,并满足第4.4节相关要求。考虑腹板屈曲后强度的屋面斜梁腹板可以设计的较薄,且无需设置中间横向加劲板,但考虑到腹板的焊接变形往往难以得到保证,因此重型钢结构厂房的屋面斜梁腹板厚度不宣设计过薄,一般最小取6.0mm,且h/t不大于150。


  2.4柱子系统设计


  排架柱以边柱为例。如图1所示。


  钢柱为单阶柱。上柱采用实腹式柱,下柱采用格构式钢管混凝土柱。钢管材料选用Q345B钢,管内用C45混凝土填充,缀条采用空心钢管。浇灌混凝土的孔开在肩梁以下,孔径约200mm,可在工厂开孔,但不宜将孔板割掉,以免杂物掉进管内.待管内混凝土被振捣密实并达设计强度的50%以后,方可焊接孔板。钢管中混凝土应采用压力灌浆法浇筑,为使管内混凝土密实,在肩梁上翼缘板各开有直径为30mm的泄气孔:,灌浆时应振捣密实,直到泄气孔冒浆为止。钢管中的混凝土必须在吊车及墙架系统安装前浇灌,待混凝土强度达到70%以上,方能安装吊车及墙架系统。下柱长15.18m,在柱脚处和下柱的中部分别设置了一道横隔(横隔间距不宜大于柱长边的9倍和8m)。


  柱脚采用插入式柱脚。


  肩梁采用单壁式肩梁,腹板高度为1800mm。与钢管相交的加劲做成一块整板,下柱的钢管切口,将加劲板插入钢管的切口内,这样的构造做法使吊车梁传来的竖向荷载有效的传递至下部钢管混凝土柱内,提高了节点的整体受力性能。


  2.5柱间支撑设计


  为保证厂房的纵向刚度和空间刚度,承受山墙风力、吊车纵向刹车荷载、温度应力和地震作用,沿厂房纵向设置上、下柱间支撑。下柱柱间支撑设两道,原则上应该布置在温度区段中间三分之一处,但是工艺要求,有些位置不能布置柱间支撑,将其位置做适当的调整以满足工艺要求。上柱支撑设四道,上柱支撑除在设有下柱支撑的柱间布置外,在温度区段的两端另设两道。


  2.6吊车梁与柱的连接


  吊车梁下翼缘与柱的连接,一般采用普通螺栓固定。吊车梁上翼缘与柱的连接通常采用板铰连接,因为板铰连接的纵向约束效应小,适用于重级工作制吊车梁,板铰及其连接应能保证传递梁端最大水平反力.铰板孔径较栓径大1mm,其加工应按照精制螺栓要求进行,铰板栓孔的受力方向端距不得小于1.5d。由于吊车的起重量较大,在吊车梁的高度中部增设与排架柱相连的垂直隔板,此隔板为构造加强,无需计算。


  3、厂房各系统设计中应特别注意的问题


  3.1铰接屋架上承及下承做法对柱的影响


  上承式屋架优点:屋架支座处传力好。屋架在安装时的稳定性好,而且基本上可不必考虑屋架受力后弦杆弹性伸长的影响。上弦在竖向荷载作用下的压缩变形可补偿屋架下挠时(坡度变直时)支座向外的位移。其总位移量的消长情况与屋面坡度有关,当屋面坡度i≥1/6,柱顶仍将向外推移。当i≤1/10柱顶非但不会向外推移,甚至有向里移动的可能,这个优点在多跨厂房中更为重要。


  上承式屋架缺点:上承屋架端支座底部至端节点中心的距离较大,约为下承式屋架的2~3倍。因此,在柱顶水平剪力作用下对支座节点的偏心弯矩较大,设计时应引起注意。一般可采取以下两种方式解决:①采用侧接法与柱顶相连,以减少甚至消除偏心弯矩;②在与支座节点相连的屋架杆件设计中,考虑此偏心弯矩的影响,下承式屋架做法优缺点正好与上承式相反。


  3.2柱


  柱截面选用时,为了经济,宜优先选用钢管混凝土柱或型钢格构柱。为了经济,在工艺允许的情况下可增加纵向系杆,以减小厂房柱的平面外计算长度。


  3.3柱间支撑


  支撑杆件采用单拉杆设计或一拉一压杆件设计,应根据受力大小及杆件长度确定。目前流行采用单杆既在前后片杆件之间不打缀条设计,便于中间穿行管道、钢梯及参观走道。


  3.4吊车梁系统


  国标图集与钢结构设计规范对吊车梁中间加劲肋板与上翼缘的焊缝处的要求不同(钢结构设计规范要求刨平顶紧后焊接,国标图集仅采用焊缝),建议采用刨平顶紧后焊接。平板支座处加劲肋国标图集中是上下刨平顶紧,为了便于施工,建议改为上端坡口焊,下端刨平顶紧后焊接。


  随着我国工业建设的发展,尤其是沿海、沿江地区冶金、机械、船舶及海洋工程类建设项目,由于生产工艺的需要以及建设用地的允许 ,建造大跨度和大面积的钢结构厂房越来越多 ,而随着我国钢产量的增加和建筑设计、 施工技术的不断进步 ,这种需求得到满足也变得越来越容易。设计人员要熟悉规范,灵活把握,使得工程结构设计更加经济合理。